三棱山隧道二次襯砌混凝土配合比設計與分析

顏士昊

摘 要：京沈高鐵三棱山隧道出口段全長2 203 m，二次襯砌作為隧道支護體系最為重要的環節之一，因此混凝土配合比的選取要符合設計要求和工程施工要求。該文通過實際工程案例，介紹了二次襯砌混凝土配合比的計算步驟，通過工程應用，驗證了設計配合比的合理性。

關鍵詞：高鐵隧道 襯砌混凝土 配合比設計

中圖分類號：DK493 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）06（b）-0071-02

隨著我國公共交通事業的快速發展，高速鐵路因為載客量高、輸送能力大、速度快、安全性好、舒適方便等優點，已經成為人們主要的出行方式之一。遼寧省正在修建的京沈高鐵項目全長406.8 km，全線共39座隧道。襯砌作為隧道支護體系里重要的一環，必須具有高強度、耐久性和耐腐蝕等特點。該文以京沈高鐵遼寧段中三棱山隧道出口段為例，進行襯砌混凝土配合比設計與分析。

1 工程地質特征

中國路橋承建京沈客專遼寧段TJ-1標三棱山隧道位于遼寧省朝陽市、阜新市境內，隧道全長8 888 m，其中三棱山隧道出口段位于里程DK500+100～DK502+303處，全長2 203 m。該段內圍巖情況復雜，其中Ⅱ級圍巖段的長度為850 m，Ⅲ級圍巖段的長度為350 m，Ⅳ級圍巖段的長度為775 m，Ⅴ級圍巖段的長度為228 m。Ⅱ級圍巖和Ⅲ級圍巖段均為大塊狀結構、弱風化的安山巖。Ⅳ級圍巖段為強-弱風化的凝灰巖，碎石狀鑲嵌結構，節理發育，巖體較破碎。Ⅴ級圍巖段為角礫碎石狀松散結構、強風化的凝灰巖，巖體破碎，節理發育。隧道出口段地下水具鹽類結晶侵蝕性，氯鹽環境L1，化學侵蝕環境H1，鹽類結晶破壞環境Y2，根據隧道土壤含鹽量檢測報告可知，鹽類破壞主要為SO對襯砌混凝土的化學侵蝕和鹽類的結晶破壞。根據三棱山隧道出口段的工程地質特征，隧道襯砌混凝土需具備坍落度（160～200） mm、強度等級為C40、混凝土水膠比不大于0.45，膠材最小用量320 kg/m3，膠材最大用量450 kg/m3，抗滲等級>P14，抗硫酸鹽侵蝕等級≥KS120，電通量小于1 200，膠凝材料抗蝕系數：56 d不得小于0.80等特點。

2 混凝土原材料的選取

由鐵路行業標準可知，當混凝土結構處于硫酸鹽侵蝕環境時，應采用C3A的含量低于8的水泥，且膠凝材料的抗蝕系數應大于0.8，當骨料具有堿-硅酸反應時，水泥的堿含量不應超過0.6%；C40及以上混凝土用的水泥的堿含量不宜超過0.6%。因此該工程選用遼寧恒威水泥集團有限公司生產的強度等級為P.O42.5低堿普通硅酸鹽水泥，水泥的檢測報告見表1：細集料為天然河砂、中砂，細度模數2.6；粗集料為粒徑5～25 mm（5～16 mm 45%、16～25 mm 55%）的碎石；摻合料選用的粉煤灰是阜新鑫源粉煤灰建筑材料有限責任公司生產的F類粉煤灰，礦渣粉為凌源富源礦業有限責任公司生產的S95級礦渣粉；外加劑選用的是河北金舵建材科技開發有限公司生產的JD-9型聚羧酸高性能減水劑（標準型）和RB-10b引氣劑，其基本性能分別見表2和表3。

3 C40混凝土配合比計算

根據《水工混凝土施工技術規范》的有關規定，可按公式計算，其中標準差取5.0（MPa），同時規范也規定了，當設計齡期為28 d時，概率度系數t應取1.645，才會使混凝土抗壓強度保證率P為95%，因此，經過公式計算后，襯砌混凝土的配制強度為48.2 MPa。

水膠比可通過試驗和相關工程經驗確定，也可通過計算確定。該工程先通過計算初步確定混凝土的水膠比，同時結合試驗驗證水膠比的合理性。結合相關規范，襯砌混凝土粉煤灰摻量25%，礦渣粉摻量20%，根據56 d抗壓齡期分別取影響系數，，回歸系數、，水泥富余系數，膠凝材料28 d膠砂抗壓強度 MPa，g=37.0 MPa。

，即水膠比為0.38。考慮到含氣量對抗壓強度折損，取（不含外加劑中水分）； kg（不含外加劑中水分）。

計算膠凝材料的總用量：152/0.35=434 kg。

計算粉煤灰用量：434×25%=108 kg。

計算礦渣粉用量：434×20%=87 kg。

計算水泥用量：434-108-87=239 kg。

外加劑1用量：434×1.0%=4.34 kg。

外加劑1中含水量：

kg。

外加劑2用量：434×0.4%=1.74 kg。

外加劑2中含水量：

kg。

采用假定容重法計算砂石用量：

混凝土假定容重=2 400 kg，砂率選用42%。

水泥+水+砂子+碎石+粉煤灰+礦渣粉=2 400

結合上述兩個公式可以計算出：砂子用量=762 kg，碎石用量=1 052 kg。

根據以上計算過程，最終得到襯砌混凝土的基本配合比如下：

C∶F∶KF∶S∶G∶W1∶WJ1∶WJ2=1∶0.45∶0.36∶3.19∶4.40∶0.64∶0.018∶0.007

（實際水膠比）

同時又設計并配置了水膠比為0.33、0.37的混凝土，比較這三種水膠比的混凝土強度及耐久性指標，最終得到一個最佳水膠比。

水膠比為0.33和0.37的襯砌混凝土配合比如下：W/B=0.33

C∶F∶KF∶S∶G∶W1∶WJ1∶WJ2=254∶115∶92∶751∶1036∶152∶4.61∶1.84=1∶0.45∶0.36∶2.96∶4.08∶0.60∶0.018∶0.007

W/B=（W1+W2+W3）/B=0.34（實際水膠比）

W/B=0.37，C∶F∶KF∶S∶G∶W1∶WJ1∶WJ2=226∶103∶82∶772∶1 065∶152∶4.11∶1.64=1：0.46∶0.36∶3.42∶4.71∶0.67∶0.018∶0.007

試拌結果如表4所示。

依據規范對混凝土進行了氣泡間距系數試驗、56 d抗硫酸等級破壞試驗、膠凝材料抗蝕系數試驗和氯離擴散系數試驗。得到的試驗結果為，混凝土試件氣泡間距系數為0.024 8，小于設計值0.030 0；120次干濕循環后試件的抗壓強度為43.8，同齡期標準養護的對比試件的抗壓強度為52.3，抗壓強度耐蝕系數為84%，超過標準規定的≥75%，膠凝材料的抗蝕系數為0.94，氯離子遷移系數為3.9。

根據試拌混凝土的56 d抗壓強度值及耐久性指標，結合混凝土配合比選定試驗結果，最終確定水泥∶粉煤灰∶礦渣粉∶細骨料∶粗骨料∶水∶減水劑∶引氣劑=1∶0.45∶0.36∶3.19∶4.40∶0.64∶0.018∶0.007為襯砌混凝土的推薦施工配合比，水膠比為0.36。

4 結語

經過以上混凝土配合比設計計算和實際拌和驗證步驟后，確定了一組混凝土配合比。在實際施工里，該配合比澆筑的襯砌結構施工質量和外觀形貌均良好，襯砌表面沒有出現開裂的部位，可見由以上步驟所設計的混凝土配合比既滿足設計要求又滿足施工要求。

參考文獻

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